高速開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)用非晶定子鐵心及磁性能

李立軍，盧志超，李山紅，李 準(zhǔn)，李廣敏，李德仁

(中國鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京 100094)

0 引 言

非晶合金帶材具有高磁導(dǎo)率、高電阻率、低損耗等優(yōu)異的電磁性能，已被廣泛應(yīng)用于變壓器、電抗器等電力電子設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)其高效、高頻及輕量化。例如，鐵基非晶帶材已經(jīng)廣泛替代硅鋼材料應(yīng)用于配電變壓器鐵心，可將變壓器的空載損耗降低70%以上[1]。在上述應(yīng)用中，非晶帶材一般是被制作成卷繞鐵心，這是因?yàn)榉蔷Р木哂斜?、硬、脆的特點(diǎn)，具有較大的加工難度和較高的加工敏感性。近年來，非晶疊塊鐵心制備方法促進(jìn)了非晶帶材在電機(jī)鐵心中的研究與應(yīng)用[2-4]，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)將非晶合金鐵心應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)[5]、永磁電機(jī)[6]、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)[7]等機(jī)型，尤其是在高速、高頻應(yīng)用領(lǐng)域[8]。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心均為凸極結(jié)構(gòu)，且轉(zhuǎn)子無繞組和永磁材料，適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在航空航天、精密制造和家用電器等高速應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[9，10]。簡(jiǎn)單少齒的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可適當(dāng)降低非晶鐵心加工難度和成本，有利于非晶開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的開發(fā)和推廣。另外，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的電磁特性，其遵循磁阻最小原理，轉(zhuǎn)矩與相電感的變化率成正比，鐵心磁通波形為非正弦波且存在嚴(yán)重的局部飽和，其靜態(tài)電感特性、磁鏈特性及轉(zhuǎn)矩特性均與電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心的磁性能密切相關(guān)[11，12]。因此，系統(tǒng)分析非晶鐵心磁特性及其對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)性能的影響，可為電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能提升提供必要的參考數(shù)據(jù)。

本文試制了非晶定子鐵心，并應(yīng)用于800W，35 000 r/min 的高速開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)中，通過對(duì)鐵心磁性能、電機(jī)靜態(tài)特性及電機(jī)負(fù)載運(yùn)行特性的測(cè)試，分析并評(píng)估非晶鐵心磁性能特點(diǎn)及其對(duì)電機(jī)性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

在鐵心磁性能測(cè)試中，采用IWATSU公司的B-H曲線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量定子鐵心在不同頻率、不同磁通密度下的磁滯回線及損耗曲線。

在電機(jī)靜態(tài)測(cè)試中，用聯(lián)軸器連接分度盤主軸和電機(jī)轉(zhuǎn)子軸,以調(diào)整、固定轉(zhuǎn)子極與定子極的相對(duì)位置逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試。采用Agilent公司的E4980A精密阻抗分析儀測(cè)量某相繞組在不同轉(zhuǎn)子位置角、不同工作頻率下等效相電感；采用EDK公司的DPG10功率電感測(cè)試儀用大信號(hào)脈沖法測(cè)法測(cè)量電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子位置角下的相電感-電流曲線，同時(shí)測(cè)量出相同室溫下的電機(jī)繞組的電阻值。

在電機(jī)負(fù)載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中，配套的離心風(fēng)機(jī)作為負(fù)載與電機(jī)裝配，采用Tektronix公司MSO4104型示波器測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)相電流脈沖頻率、波形及有效值；采用FLUKE公司的NORMA5000型功率分析儀測(cè)試電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的輸入功率；采用熱電偶測(cè)量定子鐵心外表面溫度并自動(dòng)記錄溫升曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵心制備方法

非晶鐵心選用國產(chǎn)1K101帶材，成分為Fe80Si9B11(at.%)，帶寬為142 mm。按如下2種加工工藝加工鐵心。

疊塊法：首先將非晶合金帶材剪成80 mm長(zhǎng)的帶片，然后疊成142 mm×80 mm×30 mm的疊塊,在熱處理爐溫度400 ℃、氮?dú)夥諊卤?0 min。將處理好的疊塊浸入環(huán)氧樹脂中浸泡1 h，然后在固化爐溫度170 ℃環(huán)境中保溫2 h進(jìn)行固化。最后，采用線切割方式在疊塊中切出定子鐵心沖片槽形。

沖片法：首先將5層非晶帶材按照定子圖紙?jiān)跊_床上直接沖成沖片，然后放入退火爐中進(jìn)行熱處理，在爐溫400 ℃、氮?dú)夥諊卤?0 min。將處理好的沖片疊層碼放在定型工裝內(nèi)以保持鐵心形狀，再整體放入環(huán)氧樹脂浸漆液中浸泡1 h后放入固化爐，在爐溫170 ℃下保溫2 h進(jìn)行固化，最后拆去工裝并對(duì)鐵心表面進(jìn)行清理和修整。

2種非晶鐵心外形如圖1所示。另外，硅鋼鐵心采用國產(chǎn)牌號(hào)為35W300的冷軋無取向硅鋼片并采用通用沖片疊鉚工藝制備。

圖1 非晶疊塊鐵心和非晶沖片鐵心

受非晶合金帶材自身薄、硬和脆的特點(diǎn)影響，沖片法制備非晶定子鐵心工藝對(duì)沖模及定型工裝精度要求較高，沖模使用壽命短，沖片邊緣有毛刺,易發(fā)生脆斷，層間難以實(shí)現(xiàn)鉚固定位，熱處理及疊碼定型的效率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的硅鋼沖片疊鉚工藝。相對(duì)而言，在疊塊法制備非晶定子鐵心工藝中，疊塊對(duì)定型模具精度要求低，其熱處理及浸漆固化工藝簡(jiǎn)單高效，后序采用線切割加工可滿足鐵心加工精度要求。3種鐵心及其所用原材料主要參數(shù)如表1所示。非晶合金鐵心的疊壓系數(shù)均小于硅鋼鐵心，這是由于非晶材料磁性能對(duì)應(yīng)力的敏感性較大，較大的疊壓應(yīng)力會(huì)惡化其損耗特性;另外,受沖片邊緣毛刺影響,非晶沖片鐵心的疊壓系數(shù)略小于非晶疊塊鐵心。

表1 所用原料及鐵心主要參數(shù)

2.2 鐵心性能測(cè)試

圖2為采用B-H曲線分析儀測(cè)試的非晶沖片鐵心、非晶疊塊鐵心和硅鋼沖片鐵心在50 Hz，1 kHz下的交流磁化曲線。其中，2種非晶鐵心在2個(gè)頻率下的磁化曲線均基本重合，磁導(dǎo)率基本不變。與之相比，硅鋼鐵心在2個(gè)頻率下的磁化曲線出現(xiàn)明顯偏離，磁導(dǎo)率隨頻率升高而下降。其次，2種非晶鐵心的飽和磁密均略低于硅鋼鐵心：在1 kHz，2 000 A/m條件下，三者的磁密值分別為1.49 T，1.46 T和1.59 T。另外，非晶沖片鐵心在磁導(dǎo)率和飽和磁密性能上略優(yōu)于非晶疊塊鐵心，更接近于非晶帶材自身的磁性能，這與非晶疊塊鐵心在線切割過程中受到切削應(yīng)力和局部高溫影響有關(guān)。

圖2 非晶鐵心與硅鋼鐵心交流B-H曲線對(duì)比

選取3種鐵心在1.0 T，50 Hz和1 kHz 2個(gè)頻率下的測(cè)試數(shù)據(jù)繪制其磁滯回線，如圖3所示。非晶沖片鐵心磁滯回線呈現(xiàn)為陡、窄的特點(diǎn)，非晶疊片鐵心略次之，但硅鋼鐵心則明顯呈現(xiàn)出緩、寬的特點(diǎn)，其磁滯回線形狀在1 kHz下的寬度較50 Hz下顯著增大。磁滯回線所包圍的面積表示鐵心一個(gè)磁滯循環(huán)所需要的能量，即鐵心損耗。因此，與硅鋼鐵心相比，非晶鐵心的低損耗特性在高頻下的表現(xiàn)會(huì)尤為突出。

圖3 非晶鐵心與硅鋼鐵心磁滯回線對(duì)比

圖4為1 kHz條件下3種鐵心損耗曲線。與圖3中對(duì)比可看出，在1.0 T時(shí)，硅鋼鐵心損耗值約為100 W/kg,約為非晶鐵心損耗的10倍以上；非晶沖片鐵心損耗略低于非晶疊塊鐵心，分別為5.5 W/kg和8.0 W/kg。除本文所述加工應(yīng)力和局部高溫影響外，非晶疊塊鐵心切割面處的材料在線切割過程中發(fā)生層間粘連而導(dǎo)致渦流損耗增大，也是造成其損耗較沖片鐵心較高的原因之一。

(a) 硅鋼鐵心

(b) 非晶鐵心圖4 3種鐵心在1 kHz頻率下?lián)p耗測(cè)試曲線

2.3 電機(jī)靜態(tài)特性測(cè)試

選擇疊塊法制備的非晶鐵心進(jìn)行繞線并裝配成非晶電機(jī)，如圖5所示。同時(shí)，另外一臺(tái)采用傳統(tǒng)沖鉚法制備的硅鋼鐵心的硅鋼電機(jī)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。兩種電機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)及繞組參數(shù)，轉(zhuǎn)子均采用硅鋼鐵心。

圖5 具有非晶疊塊定子鐵心的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)

電機(jī)定子為4極兩相結(jié)構(gòu)，相對(duì)兩個(gè)極串聯(lián)組成其中一相，轉(zhuǎn)子采用2極不均勻氣隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)子極與某相定子極完全對(duì)齊時(shí)，等效磁路的氣隙最小，電機(jī)相電感值最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°機(jī)械角后，相電感再次達(dá)到最大值，即為一個(gè)相電感周期。

圖6為采用精密LCR測(cè)試儀測(cè)試的非晶電機(jī)和硅鋼電機(jī)的等效相電感曲線簇，測(cè)試頻率為50Hz，1 kHz，2 kHz。

由于轉(zhuǎn)子為不均勻氣隙結(jié)構(gòu)，電機(jī)相電感在108 °轉(zhuǎn)子角位置處達(dá)到峰值，且在0 和180 °轉(zhuǎn)子角處達(dá)到最小值。在3個(gè)測(cè)試頻率下，非晶電機(jī)的相電感峰值均高于硅鋼電機(jī)，例如：在1 kHz下，非晶電機(jī)和硅鋼電機(jī)相電感峰值分別為10.4 mH和9.6 mH。另外，非晶電機(jī)和硅鋼電機(jī)的相電感峰值均隨測(cè)試頻率升高而下降，但硅鋼電機(jī)相電感峰值下降趨勢(shì)更明顯，此結(jié)果與非晶材料在高頻下保持較高磁導(dǎo)率而硅鋼材料磁導(dǎo)率顯著下降的特點(diǎn)是一致的。

圖6 非晶電機(jī)和硅鋼電機(jī)相電感曲線

在簡(jiǎn)化的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等效磁路模型中，相電感與鐵心磁導(dǎo)率以及電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，包括等效磁路長(zhǎng)度、繞組匝數(shù)及氣隙長(zhǎng)度等。在結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，鐵心磁導(dǎo)率越大，電機(jī)相電感值越大。因此，較大的相電感峰值可增大相同轉(zhuǎn)速下電機(jī)相電感變化率，從而有利于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的提升。

磁鏈-電流磁化曲線是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制參數(shù)優(yōu)化的重要依據(jù)，其中，電機(jī)轉(zhuǎn)子極與定子極完全對(duì)齊、半對(duì)齊、開始對(duì)齊及完全不對(duì)齊4個(gè)位置下的磁化曲線是電機(jī)各項(xiàng)性能計(jì)算的基礎(chǔ)。2種電機(jī)在上述4個(gè)位置下的磁化曲線如圖7所示，4個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)角度為108°、90°、45°和0，磁化曲線上某點(diǎn)的斜率即為功率電感測(cè)試儀測(cè)得的該點(diǎn)在某電流值下的增量電感值。可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子在0和45°位置角時(shí)，電機(jī)氣隙較大，相電感較小，鐵心在整個(gè)測(cè)試電流范圍內(nèi)都處于不飽和狀態(tài)，磁鏈曲線基本重合，并不受鐵心材料性能差異影響；但在90°和108°位置角時(shí)，電機(jī)氣隙較小，相電感值較大，當(dāng)繞組電流值大于5 A時(shí)鐵心開始飽和，且非晶電機(jī)的飽和磁鏈值小于硅鋼電機(jī)飽和磁鏈值，這歸因于非晶鐵心較低的飽和磁密值和疊壓系數(shù)值。

圖7 非晶電機(jī)與硅鋼電機(jī)磁鏈-電流曲線

2.4 電機(jī)負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)

鐵心損耗和繞組電阻損耗所產(chǎn)生的熱量是造成電機(jī)溫升的主要原因。當(dāng)非晶電機(jī)和硅鋼電機(jī)以相同轉(zhuǎn)速拖動(dòng)離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行在較小相電流區(qū)間時(shí)，電機(jī)鐵心均處于未飽和狀態(tài)，2種電機(jī)繞組電流脈沖的頻率和有效值基本相同，經(jīng)計(jì)算，兩者的銅耗計(jì)算值基本相同，如表2所示。

表2 非晶電機(jī)和硅鋼電機(jī)負(fù)載運(yùn)行參數(shù)

另外，表2的輸入功率測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在2個(gè)相同轉(zhuǎn)速情況下，非晶電機(jī)的輸入功率均小于硅鋼電機(jī)。其中，硅鋼電機(jī)在30 000 r/min負(fù)載運(yùn)行時(shí)輸入功率為533 W，而非晶電機(jī)輸入功率較之降低了約60 W。若忽略風(fēng)機(jī)風(fēng)摩阻差異，2種電機(jī)在相同轉(zhuǎn)速下應(yīng)具有相同的軸功率輸出。因此可推斷，在15 000 r/min和30 000 r/min轉(zhuǎn)速負(fù)載運(yùn)行下，2種電機(jī)的相電流、銅耗及輸出軸功率基本相同，非晶電機(jī)較硅鋼電機(jī)輸入功率明顯降低，這歸因于其非晶定子鐵心損耗的減小。

圖8為實(shí)測(cè)的2種電機(jī)在2種轉(zhuǎn)速負(fù)載運(yùn)行時(shí)的定子鐵心外表面溫度變化曲線?？梢钥闯觯?0 000 r/min轉(zhuǎn)速下，非晶電機(jī)鐵心溫升曲線斜率顯著低于硅鋼電機(jī)，在400 s時(shí)兩者溫度分別升至48 ℃和64 ℃；在15 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，非晶鐵心與硅鋼鐵心溫升速率差距減小，在480 s時(shí)，兩者溫度分別為36 ℃和40 ℃。溫升測(cè)試曲線對(duì)比結(jié)果與電機(jī)輸入功率對(duì)比結(jié)果基本一致。可見，非晶鐵心的低損耗特性可明顯降低電機(jī)溫升，且在高速下的效果更佳顯著。

圖8 非晶電機(jī)和硅鋼電機(jī)定子鐵心溫升曲線

3 結(jié) 語

本文分別用疊塊法和沖片法制備出非晶定子鐵心，并與硅鋼鐵心的進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，非晶鐵心具有優(yōu)良的高磁導(dǎo)率、低損耗特性，但受浸漆與疊壓應(yīng)力影響，非晶鐵心的疊壓系數(shù)均低于硅鋼鐵心；另外，受加工應(yīng)力、切口質(zhì)量及局部高溫影響，非晶沖片鐵心的磁性能略優(yōu)于非晶疊塊鐵心。

將非晶疊塊定子鐵心裝配成高速開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)并對(duì)其靜態(tài)性能和負(fù)載運(yùn)行性能與硅鋼電機(jī)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，非晶鐵心的高磁導(dǎo)率特性有利于提高開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相電感峰值，其低損耗特性可顯著降低電機(jī)鐵心損耗及溫升，尤其是在高速、高頻工況下。然而，非晶鐵心較低的飽和磁密和疊裝系數(shù)降低了非晶電機(jī)的飽和磁鏈值。本文結(jié)果可為非晶定子鐵心制備方法優(yōu)化以及高速開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和性能提升提供數(shù)據(jù)參考。